压力容器焊接冷裂纹产生的机理和防止措施

赵修坤

摘要：随着我国经济的高速发展，我国各行各业也呈现出良好的发展趋势。压力容器在焊接过程中最为严重的缺陷就是裂纹，产生后造成金属材料截面积的减小，承载力相应较小，出现构建断裂，严重时引起安全事故。文章对焊接裂纹产生机理分析的基础上，采取有效的防止措施，预防裂纹的产生，保证压力容器的运行安全。

关键词：压力容器；焊接；冷裂纹；产生；防止措施

引言

焊接在金属压力容器制造过程中是一道主要的工序，随着压力容器的大型化和重型化，焊接在压力容器制造过程中处于关键和重要的工序。大多数压力容器属于特种设备，其安全运行关系人民的生命及财产安全，因此避免压力容器在制造过程中产生焊接缺陷，是保证压力容器制造质量在运行后安全工作的关键步骤。

1焊接冷裂纹的分类及产生的基本过程

焊接冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度时所产生的裂纹，常见钢材产生的温度为在Ms温度以下或200-300℃。冷裂纹包括:延迟裂纹、淬硬裂纹、低塑性脆化裂纹等，在压力容器制造行业所说的冷裂纹指的是延迟裂纹。压力容器焊接冷裂纹主要发生在高硬度及高强度的钢材中，如抗拉强度大于等于540MPa以上的材料或者中碳钢、低合金和中合金的高强度钢中。这些材料在焊接过程中金属熔池溶解了大气或者焊接材料中的氢，加上焊接接头在焊接过程中产生了材料加热时产生的拘束应力，焊缝本身组织淬硬，无法通过塑性变形等方式释放应力，在三种因素的作用下，发生开裂，形成裂纹。延迟裂纹具有显著的延迟性，分为潜伏期、缓慢扩散期、突然断裂期三个连续的过程，潜伏期有可能几小时、几天、几个月甚至几年，有可能压力容器已投入使用期间，因此更具危险性。

2冷裂纹的产生原因分析

形成冷裂纹的原因主要有以下4个:(1)焊接接头形成淬硬组织,减小了金属的塑性储备;(2)扩散氢的存在和浓集;(3)焊件钢性大而产生较大的焊接拉伸应力;(4)焊肉存在某种缺陷致使应力集中。以上这4个因素,其中含氢量和拉应力是冷裂纹产生的2个重要因素,但4个原因的存在相互影响、促进。它们中可能某一个原因成为冷裂纹的主要因素,然而决不可能是唯一因素。一般来说,金属内部原子的排列并非完全有序的,而是有许多微观缺陷,在拉应力的作用下,原子氢向高应力区(缺陷部位)扩散聚集。当氢聚集到一定浓度时,就会破坏金属中原子的结合键,金属内就出现一些微观裂纹,应力不断作用,氢不断地聚集,微观裂纹不断地扩散,直至发展为宏观裂纹,最后断裂。

3冷裂纹的预防措施

3.1注重焊接材料的质量检验

作为锅炉压力容器焊接质量控制的基础焊接，焊接材料检验包含了众多检查项目。就锅炉压力容器焊接材料而言，其包含了焊条、焊丝、焊剂等诸多内容。在材料检验中，不仅应检查材料的质保书、品名，而且需对材料的材质、规格、数量、外观等要素进行核对，确保材料端面或断口处有分层、夹杂等缺陷。在检查中，需抽选10%左右的样品送往检验；针对具体的材料检验结果，还需规范填写《材料进货检验单》。此外，为避免锅炉压力容器焊接中出现质量问题，还应规范焊接材料的存储管理，通常，焊接材料与地面、墙体的距离保持在300mm，同时焊材所存空间的室内温度应高于5℃，同时相对湿度不超过60%。

3.2焊接工作人员控制

压力容器的焊接工作是一项十分专业的工作要求，工作人员必须要具备足够的焊接专业知识，并且要拥有丰富的焊接作业经验，要能够熟练应用多种焊接方法和焊接技术，这样才能够保证焊接人员的素质满足焊接作业需要。另外在焊接的过程中，焊接作业人员会直接影响到焊接的质量。所以要求我国的加工企业必须要对焊接工作人员进行培训，检查工作人员的专业知识水平和技能水平，对其进行定期考核，了解工作人员的素质能力，在上岗之前更要进行岗前培训，这样才能保证焊接工作人员的素质。为了做好焊接工作人员的管理，企业需要制定相应的管理制度，要对焊接工作人员的工作流程、工作规范和要求等进行明确，相关人员还需要定期进行检查，了解工作人员的工作情况，通过激励机制来激发其工作的积极性和主动性。

3.3.加强对焊接环境的管理

焊接环境并不是单纯指施焊环境，具体还涉及到与焊接相关的所有环境条件。在压力容器焊接施工过程中，在雨雪天气、低于零下5℃的环境温度、湿度超过90%的环境下都不允许进行焊接操作，对于气体保护焊，当风速在2m/s以上时及手工焊风速在8m/s以上时都不能进行焊接施工。

3.4焊接工艺控制

首先，要进行焊接工艺的评定。根据锅炉压力容器的特点和技术要求，对评定试件进行相关的试验和检验，只有待最终的评定审核结果为合格后，才能进入批量化的焊接生产流程。这里需要特别注意的一点是，如果批准生产中需要对焊接方式和热处理流程进行调整变更，则必须进行重新评定。其次，控制焊接工艺参数。在实际中焊接对象不同，对焊接接头的性能也有着不同的要求，所以必须根据焊接对象及其技术文件要求合理确定焊接参数。比如对高强钢和不锈钢应采用小线能量焊接，而易淬火钢就必须采用焊前预热、控制层间温度和焊后缓冷的工艺措施。第三，控制焊接设备。对于制造生产过程来说，生产设备的工作性能将对最终的产品质量造成直接影响，锅炉压力容器的焊接过程自然也不例外。如果焊接设备的性能较差甚至经常突发故障，那么必然会对焊接过程及其质量控制造成干扰。因此，必须对焊接设备加强管控，必须安排专人对其进行管理和定期维护，有条件的还应该及时更新技术水平更加先进的焊接设备，为焊接质量的保障提供必要的物质条件。最后，加强焊接检测。在完成焊接工序后，为了保障焊接接头的质量，必须进行相应的检测。目前主要采用无损检测技术，具体则包括超声、射线、渗透等多种方法，必须根据具体的焊接工艺要求进行合理选用。

3.5加强焊接设备的管理及维护

在压力容器具体焊接施工过程中，需要使用到的焊接设备种类较多，因此在实际焊接施工过程中，需要做好焊接设备的管理和维护工作，进一步保证压力容器的焊接质量。同时焊接设备之间也需要具有较好的匹配度，还要定期针对焊接设备的各种参数进行校验，确保焊接设备各项参数与具体的要求相符。在针对焊接设备进行管理和维护过程中需要做好记录，以便于随时备查。

结语

裂纹对压力容器的危害极大，冷裂纹由于具有一定的潜伏期和延迟性，焊后数小时乃至更长时间才能出现，特别是在运行中，一旦出现往往是造成质量安全事故，威胁到人民生命财产安全。为了控制此类裂纹的出现，焊前必须认真分析压力容器的焊接过程，制定合理的焊接工艺和控制措施，从而保证压力容器制造质量，提高压力容器的使用安全和寿命。

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